教育元宇宙的應用潛力與典型場景探析

鐘 正 王 俊 吳 砥 朱 莎 靳帥貞

(華中師范大學 國家數字化學習工程技術研究中心，湖北武漢 430079)

一、引 言

新冠疫情推動虛擬內容加速發展，線下教育場景數字化趨勢顯著，如大規模在線教學、大學在線畢業典禮、虛擬研討等大量涌現。但在線教學情境化、交互性不足，導致學習者的臨場感和參與感不佳；線下教學長期存在情感刺激匱乏、知識獲取水平低、師生互動性差、跨學科協作不足等問題，難以培養學生的自我意識和自主學習習慣。基于虛擬現實(VR)、增強現實(AR)、混合現實(Mixed Reality，MR)等數字技術構建的元宇宙，在腦機接口、物聯網與可穿戴設備的支持下，可實現虛擬與現實的深度融合，將極大拓展教與學的時空邊界。傳統的校園、教室和實驗室等，將形成虛實一體、線上線下混合、以學生為中心的新型教學環境。

“元宇宙”(Metaverse)最早出現在美國科幻小說《雪崩》中。從詞源學角度看，“meta”除有“元”的含義外，亦有“超越”之義。正如形而上學(Metaphysics)具有超越物質世界的含義，Metaverse表達了人類超越此時、此地、現有宇宙的期許。目前，元宇宙并無統一的定義與終極形態描述，其主要應用領域仍集中在社交、游戲等行業。教育元宇宙作為元宇宙在教育領域的垂直應用，通過分享、聯接，能為參與者提供高度沉浸、自然交互的虛實融合教學環境，推進學習者思維的表象化。然而，學界還缺乏對教育元宇宙的系統研究，相關特征和應用場景不夠明晰，這可能使得人們曲解元宇宙對教育的影響。本文旨在探討教育元宇宙的內涵和典型特征，分析其在教學中的應用場景，展望教育元宇宙面臨的挑戰及推進路徑。

二、內涵和典型特征

(一)內涵

國內外關于教育元宇宙的研究，目前還處于起步階段，相關理論研究較少。迪奧尼西奧等(Dionisio et al., 2013)將多虛擬世界的拓撲結構稱為元宇宙。李志英(Lee, 2021)發現現有研究主要關注教學資源的使用方法和效果、虛擬環境在語言和文化教育中的應用、基于學生和虛擬化身雙重身份的教育策略、學習平臺設計與實現等主題。朱嘉明(2021)認為人們在元宇宙中具有現實人和虛擬人的雙重身份，可以自由地在真實世界和虛擬世界中穿梭，開展學習活動。華子荀等(2021)認為，教育元宇宙為師生創設了一種沉浸式教學互動場域，能夠同時滿足師生在現實和虛擬教學方面的需求。劉革平等(2021)從技術架構、系統結構、組成要素、培養目標等方面提出了元宇宙智能在線學習環境的構造模型。上述研究討論了教育元宇宙在教學環境構建方面的應用，但沒有明晰其特征及其在不同教學場景中的應用。

教育元宇宙的虛擬世界既可以是真實世界的孿生化，也可以由師生使用AI自動生成或手工構建。借助VR/AR終端、傳感器、AI助手、腦機接口等技術，教育元宇宙可以實現虛擬世界與真實教學環境的無縫對接和有機融合。教師、學生、管理人員作為教學活動的參與者或組織者，通過虛擬化身(Avatar)沉浸于教育元宇宙中，自主地創建、參與教學活動，自然地響應虛實世界的教學行為，突破教學過程中物理規律和地理空間的束縛，實現信息在虛實世界的雙向傳遞。

(二)典型特征

依據顯示和交互兩個維度，本研究將教育元宇宙的應用從低到高分為四層：

1)虛擬重現。這包括采用數字孿生或全景視頻拍攝技術，逼真再現真實的教學環境，如使用全景拍攝重建自然地貌、名勝古跡、校園景觀等；采用VR+直播的形式，展示博物館、展覽館、科技館等機構的藏品或活動；借助VR/AR終端，參與者可以多角度瀏覽虛擬重現的真實教學情景、教學資源，獲取沉浸式教學體驗，如地理專業的學生在虛擬環境中可突破真實世界的時空限制，以瞬移方式前往地球的任意地點，完成地理實景考察。

2)虛擬仿真。教育元宇宙的虛擬教學環境可以模擬自然現象及其形成過程的動態演化規律，以及與真實教學高度類似的活動；能夠自然響應師生與教學環境、教學場景、教學資源的互動；可供師生以虛擬化身的形式，憑借視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等感官通道感知、理解、響應教學環境和教學活動，開展自主探究、小組協作等。基于VR引擎開發的許多虛擬教育應用已達到該應用層次。

3)虛實融合。這包括通過數字孿生技術重構真實世界，高精度地復原山川地貌、河流植被、道路橋隧、城市建筑、校園教室、教具學具等，采用導航、定位、制圖等技術生成真實世界的三維地圖，或采用AI支持的創編系統生成沉浸式虛擬教學環境；借助空間錨點以及云存儲技術，精準定位真實世界師生所處的虛擬教學環境，實現虛擬教學環境與真實世界的融合，如將物理、化學、生物等學科的虛擬教學資源定位、關聯在真實教室中，方便教師在課堂教學時直接調用。

4)虛實聯動。在虛實融合的基礎上，虛擬教學環境與真實世界的界限變得越來越模糊。在機器人、物聯網、區塊鏈等數字智能技術的支持下，師生可在虛實環境之間實現教學、學習、研修等活動的轉換；可將自己的思維方式轉化為具體、有形的操作過程，改變虛實世界的教具位置、活動行為、指令設置等，實現虛擬教學環境和真實世界的聯動。例如，師生可以通過腦機接口，驅動機器人執行答疑解惑、管理教學行為等。

與傳統的線下面對面教學或在線視頻教學相比，教育元宇宙在參與者形象、教學互動、學習空間、參與程度、效果評估、用戶可拓展性方面具有明顯優勢(見表一)。

表一 教育元宇宙的特征

(三)重大意義

教育元宇宙將給教學場景、教學交互、教學模式等帶來新的變化，即通過具身參與、自由交互、數字連接，打造超現實的虛實融合教學環境，激發學習者的好奇心、想象力和創造力，培養學生的科學素養和創新探究能力(秦瑾若等，2017)。

1)教育元宇宙將帶來教學場景的重大變化。基于VR/AR/MR技術打造虛實聯通的新型教學平臺，教師可創設更加沉浸、真實、友好的教學場景，學習者在具身參與的沉浸式體驗中開展深層次認知活動，主動建構知識。例如，在語言學習中，教育元宇宙可為學習者提供高度真實的語言學習環境，支持學習者預覽不同環境下需要掌握的語言交流技能。在特殊教育中，教育元宇宙可以針對學習者在社會交往、情感表達、自我認知等方面的障礙，構建結構化社交場景，模擬真實情感和用戶行為，幫助學習者提升人際交往能力、情緒控制能力和自信心。

2)教育元宇宙將引發教學交互的深度變革。基于傳感和腦機接口技術打造的多通道深度感知交互和虛實聯動，可突破真實世界的客觀局限，學習者可以隨心所欲地與虛擬對象或真實物體開展互動，在教育元宇宙中自由創作、建造自己的虛擬世界，發展創新能力。例如，學習者可以利用腦機接口技術，通過頭腦中的意念控制教育元宇宙中的虛擬對象，實現無感交互。學習者可利用傳感技術在教育元宇宙中感受到視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺等多通道模擬反饋，實現“隔空”操作真實世界的物體。此外，學習者可在不同的虛擬世界之間進行瞬移，實現“穿越歷史”“造訪未來”。

3)教育元宇宙將催生新一代“互聯網+教育”模式。基于5G/6G通信技術打造的跨越虛實世界的全連接網絡，能以虛實融合理念帶動人類社會向數字新世界遷徙。在此背景下，師生需要具備更高水平的信息素養，而不僅僅停留在信息意識和信息能力層面；要強化信息素養的文化和道德屬性，形成面向數字文明新時代的價值共識、倫理共識和發展共識，從而引導科技向善、構建更加包容的數字生態環境，助力實現更加公平、開放、負責和可持續發展的未來世界。

三、應用場景

教學本質上是人與人之間的互動。教育元宇宙的虛實融合等特征，在創設教學情境、豐富課堂互動、創新教學資源、實施精準評價、激發學習主動性方面優勢獨特，在情境化教學、個性化學習、游戲化學習和教師研修等教學場景中的應用潛力巨大(見圖1)。

圖1 教育元宇宙的教學應用場景

(一)場景1：教育元宇宙支持的情境化教學

情境化教學指在教學過程中，教師有目的地引入或創設具有一定情緒色彩、以形象為主體的生動具體的場景，以引起學生的實際體驗，從而幫助學生理解知識內容，并促進學生心理機能發展(米俊魁，1990)。當前的課堂教學非常重視情境創設，強調學生在真實任務情境中進行自主與合作探究，不斷強化對知識的理解，提高知識遷移和應用能力，促進有意義的知識建構。情境創設質量將直接影響學生學習效果。教育元宇宙憑借其突破時間、空間等客觀條件限制的特點，能創設與教學內容高度關聯的“身臨其境”的虛擬情境，促進情境化教學有效落實。教育元宇宙支持下的情境化教學具備三個特征：

一是情境的客觀真實性。傳統課堂教學的情境大多是教師通過語言描述等方式建構的主觀情境，如教師經常說“同學們想象一下自己正處在……”。這使得情境創設難度較大，設計不良的情境難以激發學生的認同感和帶入感。在教育元宇宙的支持下，師生可佩戴VR終端進入教師預先創設或選擇的教學情境，借助頭戴式顯示器、耳機、手柄、數據手套等交互設備，開展多人在線探究式、協作式、具身化的教學活動。此外，學習者可進入不同的學科或專業教室，通過全息視頻、全景直播等技術連接遠程教學場所(如紅色文化景點、工廠車間、大型儀器等)，開展實時可視化在線教學和基于實地實景的課堂互動。二是課堂互動的深入性。傳統課堂教學在進行情境任務合作時，師生和生生間的互動常常不夠深入，學生參與度差異大。在教育元宇宙的支持下，教師的虛擬化身可隱身觀察小組活動，及時了解學習進度和面臨的困難，或開辟單獨的虛擬研討室，與有需要的學習者一對一互動交流、答疑解惑。學生可帶著任務積極參與小組活動或實踐作業，在合作與交流中指出彼此的學習問題，達到優勢互補、事半功倍的目的。三是實驗情境的感性化。傳統課堂教學實驗通常以教師演示實驗、學生分組實驗為主，雖然實驗是真實的，但實驗內部的原理難以可視化，難以為學生提供感性的實驗情境。虛擬實驗室可克服傳統實驗過于抽象、理性的特征，如學習者可在數學、物理、化學、生理實驗室探索電磁場的規律、物質的分子結構、解剖動物或人體，以及通過動態3D模型探討數學知識，或在歷史、地理、美術、天文體驗館實地探索兵馬俑，攀登珠穆朗瑪峰，體驗《清明上河圖》和模擬太陽系八大行星運動。

教育元宇宙支持下的情境化教學可分為以下步驟：教師自主創設或選擇虛擬教學情境，根據情境設計任務，依據學生學情分配學習小組，布置情境學習任務，組織引導情境學習，指導小組或個人，展示小組學習成果，總結評價與拓展。

(二)場景2：教育元宇宙支持的個性化學習

個性化學習指根據學習者的不同需求和發展特點，采取適切和靈活的方法、手段、策略、內容、評價等促進學生自主學習。傳統的個性化學習主要側重于教師的個性化指導或基于算法的個性化學習推薦，即教師或算法基于學習者的特點和薄弱點，制定和推送不同的指導方案或練習計劃，學習者完成相應的方案和計劃，以達到個性化學習的目的。這一學習方式并未改變“以知識為中心”的傳統教育理念，只能看作是傳統學習方式的改良和強化。學習者仍是被動學習，其個性需求沒有得到滿足，主體地位難以體現。教育元宇宙支持的個性化學習，使得學習者從被動轉向主動，學習者既是相關產品和服務的使用者，也是創造者、更新者、服務者和審核者。教育元宇宙支持的個性化學習具備四個特征：

一是學習資源新穎。在開放的教育元宇宙資源創作社區中，學習者既是學習資源的使用者，也是重要的創造者、更新者和審核者，可促使學習資源持續動態更新。二是學習目標的多重性。教育元宇宙支持下的個性化學習既可以指向知識的掌握，也可以指向技能的獲得、思維的培養、觀念的改變等多重目標。三是學習方式的靈活性。傳統的個性化學習方式多集中在教師或算法推送個性化資料和作業、學生完成相關個性化資料和作業，本質上只是傳統學習方式的改良和強化，并未發生實質意義的改變。教育元宇宙支持的個性化學習強調個體在逼真的虛擬情境中自主學習，不同的學習者可以選擇不同的學習方式，比如跨時空的課堂學習、高仿真的觀察學習、沉浸式的游戲化學習等。四是學習成效評價的即時性、精準性。傳統的個性化學習主要基于測驗、教師主觀評價等開展學習評價，評價方式單一、評價內容片面、評價精度過低。教育元宇宙支持的個性化學習采集學生的全過程學習行為數據(含教師評價、同伴互評)，數據來源更豐富、評價方式更多元、評價精度更高。此外，教育元宇宙高算力、低延時，能夠做到即時反饋。

學習者可以根據發展特點、學習興趣和需求，按照自身學習進度自主靈活地選擇個性化學習方式、感興趣的學習內容和學習情境，并使用不同的手段和方式，與不同的學習者和情景元素進行交互，記憶和理解相關信息及知識要素，應用相關信息、知識分析和解決問題，完成自評和他評且獲得即時反饋，從而促進知識建構和素養提升。

(三)場景3：教育元宇宙支持的游戲化學習

游戲與元宇宙有著密不可分的關系。網絡游戲是元宇宙的雛形，其與元宇宙諸多特征相似，比如虛擬經濟系統、強虛擬身份認同、強社交、自由創作、沉浸式體驗等，游戲化學習是較為適切的教育元宇宙應用場景。基于此，我們認為教育元宇宙支持的游戲化學習是一種借助VR/AR/MR、人工智能、腦機接口等技術，以學習為終極目標，以沉浸式游戲為主要手段，將知識、娛樂融為一體，實現真正意義上的寓教于樂的學習方式。教育元宇宙支持的游戲化學習有四個特征：

一是即時反饋。教育元宇宙支持的游戲化學習即時反饋機制強大。學習者開展游戲化學習時，能夠獲得及時準確的反饋，以提高學習專注度。二是高沉浸式體驗。教育元宇宙借助VR/AR/MR、人工智能、腦機接口等技術，打造高仿真的虛擬游戲世界，可以給學習者帶來更佳的沉浸式體驗。三是強交互性。教育元宇宙支持的游戲化學習的交互形式多樣、交互對象多元、交互次數高頻。學習者既可以與學習游戲中的情境元素進行人機交互，也可以在教育元宇宙中與老師、同學交互，交互體驗更貼近真實情境。四是自主創造性。教育元宇宙支持的游戲化學習具有更多的游戲自主性，學習者可以選擇不同特點的游戲角色、不同難度的游戲人物、不同風格的游戲場景、不同類型的游戲主線，創造性地采用多種方式、多種途徑完成游戲任務，并在不破壞游戲框架和學習目的的情況下，享有創造游戲角色、續寫游戲主線等超級權限。

開展教育元宇宙支持的游戲化學習時，學習者可以借助VR/AR/MR、腦機接口等終端，選擇個人游戲或團體游戲，確定自己喜歡的角色、游戲場景、游戲主線等，并設定游戲化學習目標和任務。在游戲過程中，學習者可調動眼、耳、口、鼻等身體感官，通過語音、動作、眼動、手勢等不同方式達成行為目標，實現近乎自然的、“親身經歷”式的交互，體會教育元宇宙支持的游戲化學習的真實感、愉悅感和收獲感。

(四)場景4：教育元宇宙支持的教學研訓

教學是一種不斷發展的智力技能。通過與學生、教學情境的互動，教師可以不斷規劃、試驗、反思和調整與學生的互動以及對學習環境(包含學習者、學習工具和課堂環境)的控制，積累教學知識，在知識傳授與學生品行培養方面取得成效(Hall & Smith, 2006)。因此，教師需要通過教研總結教學經驗，發現教學問題，研究教學方法，提高教學質量，促進自身專業發展。元宇宙不僅能創設虛擬情境輔助教學，也能創設教研情境輔助教師研訓。教育元宇宙支持的教學研訓具有三個特征：

一是教師參與度高。在教育元宇宙的支持下，計算機模擬的教學培訓能為受訓教師提供多種可重復實踐的教學場景，甚至可以構建真實世界中邏輯上難以創建的受訓場景(Theelen et al. , 2019)。教師在這些情境中進行角色扮演、事件模擬等參與式研修，積極主動地解決復雜教學問題、做出決策、反思行動，并與教學系統的其他參與者合作，令研修活動具有更強的真實性、靈活性和可持續性(Baran et al. , 2011)。二是研訓成本低，可常態化實施。在教育元宇宙支持下搭建的更加逼真、智能的教師培訓環境，具有開放、可持續和可訪問等特性，能減少研修場景建設的時間和成本，可供受訓教師自主選擇培訓時間、研修環境、教學場景等，使得教學研訓成為常態化活動。三是研訓更貼近真實課堂。教育元宇宙支持下的研訓活動可模擬各種真實的教學事件，如教學活動準備、師生問答、學生課堂違紀、設備故障等，還可由系統模擬學生的虛擬化身，使研訓貼近真實課堂教學。

教育元宇宙支持的教學研訓能突破傳統教研難組織、參與度低、偏離真實課堂等問題，有效降低研訓成本。受訓教師能隨時隨地加入研訓場景或任務，在逼真的研修情境中直面教學過程中的真實問題，真正使教學研訓成為常態化教學活動，促進教師專業發展。

四、挑戰與推進策略

(一)面臨的挑戰

1)行業標準

教育元宇宙涉及不同的教學對象、教育場景、教學環境、教學資源、交互技術、接入終端，需要制定相應的標準規范來保障教育元宇宙的發展秩序和效率。目前，教育元宇宙還處于初步探索階段，主要表現為尚無統一概念，相關支撐技術有待發展，已有探索主要依托元宇宙游戲或者社交平臺，缺乏專為教育領域設計和開發的教育元宇宙產品。一些國內外知名公司已經著手教育元宇宙相關產品的研發，未來相關產品可能出現井噴式增長。這就迫切需要制定相關標準，掌握行業發展主動權，引領教育元宇宙技術發展路徑和落地應用。

2)信任機制

教育元宇宙中的信息類型多樣、來源復雜、體量巨大，師生難以辨識信息的真偽。因此，建立一套可驗證、可溯源的信息追蹤和信任機制，可防止師生受虛假、詐騙、不良信息的侵害。教育元宇宙具有虛實融合和虛實聯動等特征，師生在虛擬世界中的行為會對真實世界產生影響，反之亦然。建立與之適應的道德倫理，可助力師生在虛實世界之間開展正面互動，在虛擬世界中獲得滿足感、自豪感和幸福感，并將其帶入真實世界，推動真實世界向善發展。

3)應用導向

教育元宇宙需要考慮社會包容性，滿足不同民族、性別、年齡的師生需求，如提供個性化的內容，保證推薦算法的公平性，最大限度地減少算法推薦的偏倚，避免對師生行為和教育管理者決策產生誤導。此外，隨著師生使用教育元宇宙的時間增多，逃避現實、攻擊性人格、沖動行為等過度依賴虛擬環境的不良心理和行為可能會產生。因此，教育元宇宙需要建立防范成癮的機制，規范和監測師生的使用時間、使用頻次等。

(二)推進策略

教育元宇宙是一個多學科融合、多部門協同的新興應用領域，目前尚處于自由探索階段，缺乏明確、科學的推進策略指引。為了規范、引領教育元宇宙未來發展，本研究建議采取多方協同的可持續推進策略，政府部門、教育主體、行業和企業共同推進標準研制、制度建設和案例培育。

1)制定行業標準

教育元宇宙需要多感官交互、高帶寬網絡、超高速計算等條件，制定適配、傳輸、共享等標準，可提升教育元宇宙中大規模用戶參與的多模態交互、場景真實感、教學臨場感等體驗效果。此外，教育元宇宙將真實世界和虛擬教學環境緊密結合，通過多種傳感器采集師生的生理、位置、人際關系、學習行為等數據，存在個人隱私數據泄露等風險，這就需要制定相應的數據采集和處理標準，加強用戶隱私保護。

2)建立管理制度

在教育元宇宙的虛擬、真實或虛實融合環境中，教師、學習者、AI共同開展教育教學活動，他們所在空間、時間作息不盡相同，存在對象的跨空間流動和行為的虛實聯動。萬物互聯、去中心化、虛實融合等特點，使得教育管理加速向多樣化、個性化和小型化方向發展，以統一性、標準化和以教定學為特征的現行教育管理制度不能滿足上述需求，這就需要制定與之適應的管理制度，如建立以統一數字身份為基礎的學生管理制度，建立以虛擬校園運行、虛擬課程建設、教學計劃實施等為主的學校管理制度，建立以虛實融合教育發展規劃、雙空間教育布局、教育質量評價等為主的教育行政管理制度等。

3)培育典型案例

教育元宇宙還處于早期探索階段，其理論和實踐相對于技術的發展稍顯滯后，同時，相關技術水平有待提升。本研究建議適時開展教育元宇宙應用試點，培育典型教學案例，通過實踐應用驅動理論創新、技術創新，助力教育元宇宙可持續發展。例如，在虛擬重現方面，教育元宇宙能夠還原真實地形地貌、名勝古跡、校園環境和歷史場景，可以在博物館、展覽館、科技館和中小學課堂開展沉浸式教學試點；在虛擬仿真方面，教育元宇宙能夠模擬真實世界的自然現象、社會活動和經濟運行等，可供開展探究式和協作式教學試點；在虛實融合方面，教育元宇宙能夠在真實環境中融合高度逼真的虛擬場景，可供開展個性化、游戲化等學習試點。然而，不同于以往任何一項教育應用，教育元宇宙獨特的唯一數字身份標識、虛實融合、虛實聯動等特征使得獨立培育典型案例面臨較大困難和不確定性風險，需要政府、高校、企業、中小學校等多方協同推進，分步實施。

在各種智能技術的支持下，教育元宇宙在情境化教學、個性化學習、游戲化學習、教師研修等場景中能夠實現多樣化應用，提供更加智能的教學服務與體驗，呈現沉浸性、真實性、交互性、創造性、多樣性、協同性等特征與趨勢。面對教育元宇宙發展的新機遇，教育科研人員要始終保持開放心態，做教育元宇宙的建設者、研究者和實踐者(閆志明等,2017)，探索教育元宇宙應用的場景、方法與策略，持續推動教育元宇宙的融合創新和良性發展。